На пороге столкновения: ученый Пермского Политеха рассказал про недавно обнаруженную пару черных дыр

7 апреля международная исследовательская группа под руководством Зильке Бритцен из Института радиоастрономии Общества Макса Планка (MPIfR) получила изображение двух джетов — крупных потоков частиц в ядре галактики. Это первое в своем роде изображение, которое является прямым доказательством существования пары сверхмассивных черных дыр в галактике Маркарян 501 (Markarian 501, Mrk 501), вращающихся на очень близком расстоянии друг от друга. Считается, что эта пара находится на завершающей стадии перед слиянием. До сих пор было неясно, существует ли такое явление и можно ли его наблюдать.

Что такое галактика Маркарян 501 и как обнаружили слияние

— Маркарян 501 — это блазар, то есть эллиптическая галактика в созвездии Геркулеса, удаленная от нас примерно на 500 млн световых лет. Ее центральная сверхмассивная черная дыра выбрасывает мощный джет — поток заряженных частиц, разогнанных почти до скорости света, который направлен практически прямо на нашу планету. Благодаря этому объект выглядит чрезвычайно ярко в радиодиапазоне, что позволяет разглядеть детали, недоступные для других галактик, — делится Евгений Бурмистров, эксперт в области астрономии Пермского Политеха.

Как продолжает ученый ПНИПУ, долгое время был виден только один яркий джет. Однако анализ 23-летних наблюдений, проведенных с помощью сети радиотелескопов со сверхдлинными базами — нескольких десятков антенн, работающих как единый инструмент, — позволил обнаружить второй поток частиц, гораздо более слабый и ориентированный иначе. Хотя астрономы и обнаружили два разнонаправленных луча, это еще не значит, что в ядре находятся две отдельные черные дыры: наблюдаемая картина могла быть иллюзией, вызванной искривлением одного источника.

— Решающим доказательством в ходе этих наблюдений стали данные июня 2022 года. В тот период излучение, испускаемое системой черных дыр, дошло до Земли по пути, искривленному гравитацией. В результате оно приобрело признаки гравитационного линзирования — явления, когда массивный объект искажает свет от более далекого источника, — схожие по форме с так называемыми кольцами Эйнштейна, — отмечает эксперт ПНИПУ.

Как объясняет Евгений Бурмистров, в данном случае линзой служит ближняя к нам черная дыра. Источник света — не сама вторая дыра, а ее поток частиц, который она испускает и чей выброс частично скрыт. Наблюдатель — Земля, точнее, сети телескопов. Когда все три объекта выстраиваются в одну линию, свет от источника огибает линзу, формируя почти идеальное светящееся кольцо. Такая форма возможна только когда система направлена точно на Землю. Это явление выступает сильным аргументом, косвенно подтверждающим наличие двух сверхмассивных черных дыр в ядре галактики Маркарян 501.

Параметры системы

— Каждая из двух черных дыр тяжелее Солнца в 100 миллионов — 1 миллиард раз. А расстояние между ними составляет от 250 до 540 астрономических единиц, что примерно в 8-18 раз дальше, чем путь от Земли до Нептуна. Для объектов такой массы тела — это ничтожно мало. Однако именно такая теснота заставляет их вращаться с невероятной скоростью: один оборот всего за 121 день, тогда как для астрономических тел подобного размера характерны периоды в годы или века, — отмечает ученый Пермского Политеха.

По словам эксперта, даже самый мощный существующий телескоп — Телескоп горизонта событий, который в 2019 и 2022 годах сделал первые снимки черных дыр, — недостаточно чувствительный, чтобы различить два объекта в галактике Маркарян 501. Следовательно, напрямую наблюдать сужающуюся орбиту пары, к сожалению, невозможно. Ученые вынуждены полагаться на косвенные доказательства: двойные джеты и гравитационное линзирование — искривление света.

— По некоторым данным, реальное слияние произойдет в течение ближайших 100 лет. В процессе оно должно создать низкочастотные гравитационные волны, которые потенциально могут быть зафиксированы с помощью пульсарных временных массивов — систем радиотелескопов, отслеживающих периодические импульсы от быстро вращающихся нейтронных звезд. Согласно прогнозам, регистрация всплесков позволит наблюдать рост их частоты по мере сокращения расстояния между черными дырами. Это станет редчайшей возможностью увидеть слияние таких объектов в режиме реального времени, — подмечает Евгений Бурмистров.

Процесс слияния черных дыр и влияние на Землю

По словам ученого Пермского Политеха, в момент слияния две черные дыры сольются в одну, еще более массивную, а часть энергии уйдет в гравитационные волны — «рябь» пространства-времени. Это означает, что расстояние между объектами будет то сжиматься, то растягиваться, словно резина, а течению космических процессов — чуть ускоряться и замедляться при прохождении колебания. В некоторых случаях возможен гравитационный толчок — отдача, способная сместить новый астрономический объект из центра галактики. Маркарян 501 — это своего рода космическая лаборатория для изучения финальной стадии жизни двух гигантов, а само слияние — редчайший научный шанс.

— На Землю и другие планеты это событие никак не повлияет: галактика находится слишком далеко. И к моменту достижения нашей планеты гравитационные волны, несмотря на колоссальную энергию в источнике, становятся настолько слабыми, что их фиксируют только сверхчувствительные приборы; никакого воздействия на притяжение, орбиты небесных тел или условия жизни не будет, — объясняет ученый ПНИПУ.

Ранние наблюдения слияний

Как продолжает эксперт Пермского Политеха, слияния черных дыр ранее неоднократно наблюдались, в частности, детекторами лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории. Однако это были столкновения черных дыр звездной массы — то есть образовавшихся при коллапсе массивных звезд и имеющих вес в несколько десятков раз больше солнечной.

— Совсем другой класс объектов — сверхмассивные черные дыры, которые находятся в центрах галактик и могут весить от миллионов до миллиардов масс Солнца. Согласно теории, они растут именно за счет слияний: когда две галактики сталкиваются, их ядра постепенно сближаются и в итоге тоже сливаются, порождая еще более тяжелую дыру. Такие события считаются обычными на космических масштабах, однако наблюдать «тесную пару» на стадии непосредственно перед слиянием — большая редкость. До недавнего времени подобные системы не удавалось надежно зафиксировать, и новое открытие ценно тем, что мы, возможно, впервые видим такую пару на поздней стадии сближения, — объясняет ученый ПНИПУ.

Научная важность

Как продолжает эксперт, открытие важно для науки по нескольким причинам. Оно подтверждает теорию, согласно которой сверхмассивные черные дыры растут именно за счет слияний — а это напрямую объясняет, как галактики эволюционируют.

— Более того, такие двойные системы излучают гравитационные волны не в диапазоне, который ловят наземные детекторы, а на гораздо более низких частотах. Эти волны можно регистрировать с помощью пульсарных тайминговых массивов — специальных сетей радиотелескопов, которые отслеживают сверхточные сигналы пульсаров — нейтронных звезд-маяков. Именно обнаружение таких волн позволит получить новые данные в гравитационной астрономии, — рассказывает эксперт.

По словам ученого, поскольку ожидаемое столкновение произойдет уже в течение ближайших сотен лет, у ученых впервые появляется реальная возможность проследить все развитие системы — от тесной орбиты до финального слияния черных дыр — в режиме, близком к реальному времени.

— Экстремальные условия вблизи двух сливающихся гигантов позволяют проверить общую теорию относительности в самых сильных гравитационных полях, которые только можно найти во Вселенной, — заключает ученый Пермского Политеха Евгений Бурмистров.